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Vol. 68, No. 21 (2019)

2019年11月05日

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硅超构表面上强烈增强的三次谐波
利用超构表面结构实现硅介质内局域电磁场的极大增强, 进而实现强烈增强的三次谐波激发(THG). 该超构表面结构由L形的单晶硅共振子组成, 通过调节抽运波长与超构表面共振波长重合, 可以实现最高220倍的THG增强, THG的转化效率提升至~ 3 × 10–7. 数值模拟和THG信号的空间扫描结果表明, 场增强主要源于超构表面结构中心区域处的共振模式耦合效应. 此外, 实验结果表明该结构的共振模式具有明显的偏振选择性, 且THG信号同样为线偏振光, 消光比为15 dB. 杨玖龙, 元晴晨, 陈润丰, 方汉林, 肖发俊, 李俊韬, 姜碧强, 赵建林, 甘雪涛 物理学报.2019, 68(21): 214207.
 
 
综述
综述
总论 原子和分子物理学 电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学 气体、等离子体和放电物理 凝聚物质:结构、力学和热学性质 凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质 物理学交叉学科及有关科学技术领域 地球物理学、天文学和天体物理学
WLXB-21ML目录
2019, 68 (21): 1-5.
摘要 +
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
基于正交偏振场的双光学控制方案获得孤立阿秒脉冲产生
吕孝源, 朱若碧, 宋浩, 苏宁, 陈高
2019, 68 (21): 214201. doi: 10.7498/aps.68.20190847
摘要 +
利用强场近似理论开展了基于正交偏振场的双光学控制脉冲与氦原子相互作用产生高次谐波和阿秒脉冲发射的理论研究. 这里的正交偏振场由具有一定时间延迟、振幅相等且呈正交偏振的两束线偏振脉冲构成, 双光学控制脉冲是在正交偏振场的驱动脉冲电场方向附加一束线偏振二次谐波脉冲. 研究发现, 若合理地调整正交偏振场中两束线偏振脉冲之间的时间延迟及附加二次谐波场与驱动脉冲电场之间的相对相位, 可得到效率较高且在整个平台区及截止位置附近皆连续的高次谐波发射谱, 傅里叶变换后实现了143 as孤立短脉冲的辐射. 相比于利用两束反旋圆偏振脉冲附加二次谐波场的双光学控制方案, 该方案不仅克服了对入射驱动脉冲脉宽和强度的限制, 而且避免了偏振门前端光学周期引起的气体介质电离不利于谐波相位匹配的弊端.
傅里叶域中的光线
张书赫, 邵梦, 张盛昭, 周金华
2019, 68 (21): 214202. doi: 10.7498/aps.68.20190839
摘要 +
建立普适的理论模型用于描述光线和光波场的关系是几何光学领域中重要的研究内容. 本文基于传统几何光学与傅里叶光学原理, 提出利用光波场的傅里叶角谱得到光束的光线模型, 反之可以根据光线模型反演光场的傅里叶角谱. 以Airy光束以及Cusp光束为例, 展示了利用傅里叶角谱构建光束光线模型的方法及其正确性; 进一步展示利用光线构建焦点处的光波场的傅里叶频谱分布, 然后通过逆变换得到光波场的空间分布, 并与Debye方法取得了相同的结果; 最后从空间坐标域以及空间频率域给出了光线模型的高维解释, 以聚焦光束、Airy光束以及二次梯度折射率波导中的光线为例展示了高维光线模型的物理内涵. 理论分析表明, 传统几何光学构建的光线模型只是高阶光线模型在实空间内的投影.
人工磁导体对无线能量传输空间场的调控
石泰峡, 董丽娟, 陈永强, 刘艳红, 刘丽想, 石云龙
2019, 68 (21): 214203. doi: 10.7498/aps.68.20190862
摘要 +
为了提高无线能量传输系统的传输效率, 将正六边形人工磁导体结构引入非共振双线圈无线能量传输系统中, 展开对空间场调控的研究. 研究结果发现, 在人工磁导体介入非共振双线圈无线能量传输系统后, 在发射线圈和接收线圈之间的电磁场发生了变化, 这是由于近磁场激发了人工磁导体的多个谐振模式, 同时人工磁导体屏蔽了磁场也对空间场的变化有所贡献. 空间场的变化实现了传输效率的提升, 在工作频率为27 MHz、传输距离为3 cm时, 实验验证传输效率提高了22%. 另外, 该系统中人工磁导体多个谐振模式的激发, 可以为无线能量传输系统提供多模式和可便捷调频的工作频率. 在实际应用中, 人工磁导体成本较低, 且易于实现.
快速傅里叶变换在阿秒束线光路稳定控制中的应用
江昱佼, 高亦谈, 黄沛, 赵昆, 许思源, 朱江峰, 方少波, 滕浩, 侯洵, 魏志义
2019, 68 (21): 214204. doi: 10.7498/aps.68.20191164
摘要 +
本文报道了将快速傅里叶变换算法应用于抽运探测系统和倍频光谱干涉系统(f-2f interferometry), 对光路进行反馈控制的原理和结果, 分别得到相对臂长抖动均方根1.24 nm (对应时间为4.1 as)的抽运-探测光路锁定和积分时间3 ms下相对相移均方根227 mrad的慢环载波包络相位(carrier envelop phase, CEP)锁定. 这样的锁定精度可以保证产生阿秒脉冲的飞秒激光脉冲拥有稳定的CEP, 并且为后续阿秒抽运探测提供了稳定的实验条件.

编辑推荐

金属开口环谐振器超构分子中二次谐波偏振态的调控
马明宇, 吴晗, 陈卓
2019, 68 (21): 214205. doi: 10.7498/aps.68.20190837
摘要 +
采用有限元法研究了由两个共振在基波处的金属开口环谐振器组成的立体“超构分子”中的二次谐波产生特性. 通过改变立体“超构分子”中两个金属开口环谐振器之间的相对取向角度, 使得在基波处共振的模式耦合发生变化, 从而调控了二次谐波中两个正交分量之间的振幅比和相位差, 获得了具有不同偏振态的二次谐波辐射.
相干合成涡旋光束的螺旋谱分析及应用研究
彭一鸣, 薛煜, 肖光宗, 于涛, 谢文科, 夏辉, 刘爽, 陈欣, 陈芳琳, 孙学成
2019, 68 (21): 214206. doi: 10.7498/aps.68.20190880
摘要 +
应用螺旋谱分析理论, 推导了相干合成涡旋光束螺旋谱分量的位置和大小, 数值分析验证了理论推导的正确性. 基于上述谱分析理论, 可将螺旋谱分析结果作为相干合成涡旋光束质量评价函数并指导相干合成参数优化. 结果表明: 随着子光束数量和束腰半径的增加、组束环半径的减少可提高目标合成拓扑荷的模式纯度, 同时获得高质量涡旋光束. 这与采用桶中功率等传统评价函数得到的结论具有一致性.

封面文章

硅超构表面上强烈增强的三次谐波
杨玖龙, 元晴晨, 陈润丰, 方汉林, 肖发俊, 李俊韬, 姜碧强, 赵建林, 甘雪涛
2019, 68 (21): 214207. doi: 10.7498/aps.68.20190789
摘要 +
利用超构表面结构实现硅介质内局域电磁场的极大增强, 进而实现强烈增强的三次谐波激发(THG). 该超构表面结构由L形的单晶硅共振子组成, 通过调节抽运波长与超构表面共振波长重合, 可以实现最高220倍的THG增强, THG的转化效率提升至~ 3 × 10–7. 数值模拟和THG信号的空间扫描结果表明, 场增强主要源于超构表面结构中心区域处的共振模式耦合效应. 此外, 实验结果表明该结构的共振模式具有明显的偏振选择性, 且THG信号同样为线偏振光, 消光比为15 dB.
薄膜与Helmholtz腔耦合结构低频带隙
陈鑫, 姚宏, 赵静波, 张帅, 贺子厚, 蒋娟娜
2019, 68 (21): 214208. doi: 10.7498/aps.68.20190673
摘要 +
设计了一种含薄膜壁的Helmholtz型声子晶体, 该结构利用了空气和薄膜的耦合振动, 一方面将刚性壁转变为柔性壁, 降低了一阶振动时的等效刚度, 使第一带隙下限分别低于同参数下的普通Helmholtz型声子晶体和薄膜, 另一方面基于局域共振原理, 由于薄膜的出现和腔口空气通道长度的增加, 使得结构在低频范围内存在多个振动模态, 从而将原有一个带隙扩展为多个带隙. 将该结构带隙上下限分别等效为环形系统和串联系统, 用传递矩阵法和有限元法两种方法计算了其低频带隙范围, 两种方法结果吻合良好. 通过调整参数对带隙调控规律进行了进一步分析, 结果显示, 在低频范围内, 既可以通过改变与腔口空气通道或薄膜相关的参数, 在保证其中某些带隙变化不大的情况下, 单独调整其他带隙; 也可以通过调整内外腔体积, 对所有带隙进行调控.
塑料类高分子聚合物材料水中目标声学参数反演
周彦玲, 范军, 王斌
2019, 68 (21): 214301. doi: 10.7498/aps.68.20190991
摘要 +
塑料类高分子聚合物材料作为3D打印领域的一类主要材料, 在水下声学模型和结构成型中的应用越来越广泛, 这类新材料的声学参数直接影响着3D打印的水下声学模型和结构的声学性能. 基于水中目标声散射的Rayleigh简正级数解及塑料类高分子聚合物材料实心球中亚音速Rayleigh波低频共振机理分析, 获取了亚音速Rayleigh波在低频情况下共振峰频率和幅度分别对材料的波速和衰减系数敏感的特征. 在此特征基础上建立了一种以亚音速Rayleigh波反向散射共振峰频率和幅度为代价函数的塑料类高分子聚合物材料声学参数反演方法. 最后通过典型塑料类高分子聚合物材料PMMA (甲基丙烯酸甲酯-亚克力)实心球反向声散射特性水池试验, 测量了亚音速Rayleigh波反向散射共振特性, 并反演得到了此类PMMA材料的纵波、剪切波声速及其声衰减系数, 与理论预报结果基本吻合, 为3D打印的塑料类高分子聚合物材料模型声学性能测试和评估提供了一种新方法.
薄膜底面Helmholtz腔声学超材料的隔声性能
贺子厚, 赵静波, 姚宏, 陈鑫
2019, 68 (21): 214302. doi: 10.7498/aps.68.20191131
摘要 +
针对低频噪声的隔离问题, 设计了一种薄膜底面Helmholtz腔声学超材料, 该超材料由薄膜底面Helmholtz腔附加质量单元构成. 使用有限元法, 计算了超材料在20—1200 Hz频段内的传输损失曲线与各阶共振频率, 并在实验中验证了数值计算的真实性. 研究结果表明, 超材料在20—1200 Hz频段内隔声性能良好, 出现了6个隔声峰, 其中100 Hz以下的2个隔声峰传输损失分别高达44.29 dB与67.43 dB, 整个频段内的最高传递损失为90.18 dB. 相较于单一的Helmholtz腔、薄膜声学超材料或传统材料, 本超材料的隔声性能有了较大提升. 结合共振频率与隔声峰处的振动模式图, 进一步分析了超材料的隔声机理. 计算了超材料的透射系数与反射系数, 使用等效参数提取法, 得到了超材料的等效模量与等效密度, 在隔声峰处发现了负等效密度, 同时发现其等效模量接近于零, 并由能量角度进一步分析了异常等效参数的产生机理. 通过等效电路法, 得到了超材料的声阻抗, 较精确地计算了超材料的首阶共振频率, 并分析了产生误差的原因. 研究了附加偏心质量单元对超材料隔声性能的影响, 发现附加偏心质量单元可以抑制反对称共振模态的出现, 同时大大增加了超材料的隔声峰数量, 在实验中这一说法得以验证.
利用海洋环境噪声空间特性估计浅海海底分层结构及地声参数
李赫, 郭新毅, 马力
2019, 68 (21): 214303. doi: 10.7498/aps.68.20190824
摘要 +
海洋环境噪声场中包含了海洋中的诸多信息, 海底地声参数是影响海洋环境噪声场空间分布的主要因素之一. 对于不同的海底分层结构, 海底反射损失会根据沉积层厚度和各层声速呈现出不同的临界角和干涉条纹结构. 本文利用Harrison能流理论, 从理想反射系数出发, 分别考虑了声速、密度、衰减系数、沉积层厚度等几种参数对无沉积层和单层沉积层中反射系数的影响, 并对单层沉积层海底的反射系数进行了化简, 结合互易原理解释了反射损失条纹结构的形成机理. 中国黄海某海区试验结果表明, 利用海洋环境噪声空间方向谱获得的海底反射损失, 可以提取海底反射临界角和干涉条纹信息, 由此可估计出海底分层结构、声速和沉积层厚度等海底参数信息.
微泡造影剂增强超声调制激光回馈成像对比度的机理研究
周博睿, 谈宜东, 沈学举, 朱开毅, 鲍丽萍
2019, 68 (21): 214304. doi: 10.7498/aps.68.20190770
摘要 +
超声调制光学成像技术是一种新型的生物组织光学检测技术, 在癌症的早期检测方面具有巨大的潜力, 但该技术在信噪比和成像对比度方面存在不足. 在超声调制光学成像技术的基础上, 结合高灵敏度的激光回馈技术提出了超声调制激光回馈技术, 建立了含微泡介质的蒙特卡罗光子传输模型, 通过仿真和实验研究了超声微泡造影剂增强超声调制激光回馈成像对比度的作用机理. 结果表明, 在透明溶液中, 超声微泡造影剂可以增强超声调制激光回馈信号, 并产生谐波调制, 通过检测回馈基波和谐波信号增强量的方法可提高成像对比度; 而在仿生物组织环境中, 超声微泡造影剂可显著衰减超声调制激光回馈信号, 通过检测回馈基波和谐波信号衰减量的方法可提高成像对比度.
接枝在纳米粒子表面的聚异丙基丙烯酰胺刷构象转变中的硫氰酸根离子效应
赵新军, 李九智, 石铭芸, 马超
2019, 68 (21): 214701. doi: 10.7498/aps.68.20190682
摘要 +
应用分子场理论研究接枝在纳米粒子表面的聚异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)球面刷构象转变中的硫氰酸根离子(SCN)效应, 理论模型考虑PNIPAM-SCN的结合(P—S键)和体系的静电特性. 研究发现, PNIPAM球面刷构象转变的低临界溶液温度(LCST)在较低SCN浓度条件下, 随着SCN浓度的增加会增大. 在高浓度条件下, 随着SCN浓度增加, LCST降低. 在低SCN浓度条件下, P—S键分数随着SCN浓度增加而变大, 在刷内产生静电排斥作用; 在高SCN浓度条件下, P—S键的形成趋于饱和, 较多的SCN结合到PNIPAM链中. 增加SCN浓度, 会增加抗衡离子浓度, 导致了以抗衡离子为中介的静电吸引和静电屏蔽, 以及PNIPAM链疏水性的增强. 理论结果符合实验观测, 并且可以预言, 在较强的P—S键作用下, 随着温度的降低, PNIPAM球面刷中出现垂直相分离结构, 出现两个转变温度, 这是由于PNIPAM-SCN结合导致PNIPAM的亲水作用与疏水作用、静电作用竞争平衡的结果.
不可压幂律流体气-液两相流格子Boltzmann 模型及其在多孔介质内驱替问题中的应用
娄钦, 黄一帆, 李凌
2019, 68 (21): 214702. doi: 10.7498/aps.68.20190873
摘要 +
基于不可压格子玻尔兹曼气-液两相流模型, 建立了一个新的非牛顿幂律流体气-液两相流模型, 并采用该模型研究了多孔介质内牛顿气体驱替非牛顿幂律流体液体的驱替问题, 主要探究了Ca数、动力黏度比M、固体表面润湿性θ、多孔结构几何类型及幂律指数n对驱替过程的影响. 研究发现: 不论被驱替液体为剪切变稀流体、牛顿流体还是剪切变稠流体都有随着Ca数增加, 驱替速度越快, 指进现象越明显, 驱替效率越低. 然而对于不同的幂率指数n, 驱替效率随Ca数的增加而减小的速率不同: n越大驱替效率随着Ca数增加而减小的速率越慢. 另一方面, 随着黏性比M增加, 驱替效率减小, 且幂律指数n越小, M对驱替效率的影响越大. 此外, 固体表面接触角θ对驱替过程的影响也和被驱替流体的幂率指数n相关, 虽然对于n > 1和 n < 1的情况都有随着多孔介质固体表面接触角θ增加, 驱替过程受到的阻力越小, 指进越来越不明显, 驱替完成时间和驱替效率增加, 然而当n > 1时, 随着n的增加, 接触角对驱替过程的影响越来越小. 还研究了孔隙率相同的情况下, 孔隙几何类型不同时的驱替过程, 从数值结果可以发现与多孔结构为圆形和方形障碍物相比, 当多孔结构的几何类型为三角形时, 指进现象最明显, 驱替效率最低.
活性剂对表面声波作用下薄液膜铺展的影响
李春曦, 施智贤, 庄立宇, 叶学民
2019, 68 (21): 214703. doi: 10.7498/aps.68.20190791
摘要 +
针对表面声波作用下含不溶性活性剂的部分润湿薄液膜的铺展过程, 推导出了液膜厚度和表面活性剂浓度的无量纲演化方程组, 通过数值计算研究了声波引起的漂移流主导的液膜铺展过程及漂移流与毛细力共同控制的铺展过程. 结果表明表面声波驱使液膜铺展及移动, 而活性剂进一步促进了液膜的铺展过程, 且当活性剂存在时受漂移流与毛细力共同控制的铺展过程中出现了铺展半径收缩的现象, 使得液膜达到平衡状态所需的时间更长. 另外, 液膜最大厚度和铺展半径的变化速度随着分离压与活性剂浓度的相关系数α值、Marangoni数M值的增大而加快.
综述
全固态磁制冷系统物理模型的研究进展
刘国强, 柯亚娇, 张孔斌, 何雄, 罗丰, 何斌, 孙志刚
2019, 68 (21): 217501. doi: 10.7498/aps.68.20191139
摘要 +
磁制冷是一种节能环保的制冷技术, 具有广阔的应用前景. 目前, 基于主动磁回热循环的磁制冷系统被广泛研究并诞生了多个原型制冷机. 然而, 这些系统主要采用流体换热, 导致系统存在工作频率低、回热损失大、子部件设计复杂等问题, 使得制冷机成本升高和效率降低. 针对上述问题和难点, 引入固态传热增强机制和全固态磁制冷系统模型设计及优化已成为近年来研究的热点. 本文综述了全固态磁制冷系统的两类物理模型的研究进展, 即基于热二极管(电控热二极管和磁控热二极管)的全固态磁制冷模型和基于高热导率材料元件的全固态磁制冷模型. 与传统主动磁回热制冷模型进行比较分析, 表明全固态磁制冷具有更大的应用潜力. 最后, 对未来全固态磁制冷技术的研究进行了分析和展望.
总论
尘埃等离子体中的分数阶模型及其Lump解
孙俊超, 张宗国, 董焕河, 杨红卫
2019, 68 (21): 210201. doi: 10.7498/aps.68.20191045
摘要 +
近年来, 尘埃等离子体的研究在太空、工业和实验室等领域中有着重要的作用. 该文从双温尘埃等离子体的控制方程组出发, 通过运用多尺度分析与约化摄动方法, 推导了(2+1)维的Kadomtsev-Petviashvili (KP)方程来描述双温尘埃等离子体声波的传播. 接下来, 利用半逆方法和分数变分原理, 将(2+1) 维KP方程推广到时空分数阶KP方程; 分数阶KP方程对于描述实际问题中的物理现象具有潜在的应用价值. 进一步, 基于李对称分析方法, 讨论了时间分数阶KP方程的守恒律, 得到了双温尘埃等离子体声波的守恒量. 最后, 基于双线性方法, 获得了分数阶KP方程的Lump解. 该解的存在说明双温尘埃等离子体中存在怪波, 特别地, 分析了分数阶阶数对怪波的影响.
一种随机共振增强正弦信号的二次多项式接收方法
刘广凯, 全厚德, 康艳梅, 孙慧贤, 崔佩璋, 韩月明
2019, 68 (21): 210501. doi: 10.7498/aps.68.20190952
摘要 +
针对雷达、通信系统的正弦中频信号在低信噪比中难以接收的问题, 提出一种经随机共振增强正弦信号的接收方法. 通过分析正弦信号的随机共振机理, 引入判决时刻, 将非自治的福克-普朗克方程(Fokker-Planck Equation, FPE)转化为自治方程求解, 得到FPE的含时间参量的周期定态解; 在得到随机共振输出粒子的概率密度基础上, 通过分析能量接收、匹配滤波接收特点, 提出基于二次多项式的接收结构, 通过使偏移系数最大化, 确定二次多项式系数, 初步确定了检验统计量; 为进一步减小误码率, 结合“N次采样取平均”思想, 根据中心极限定理, 将问题转换为高斯分布下的假设检验问题, 最终提出了随机共振增强正弦信号的二次多项式接收方法和处理流程. 仿真验证了理论的正确性, 并得到: 在最佳匹配随机共振参数的限制下, 当 N = 500时, 二次多项式接收结构在信噪比大于–17 dB时误码率低于2.2 × 10–2.

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铅基钙钛矿铁电晶体高临界转变温度的机器学习研究
杨自欣, 高章然, 孙晓帆, 蔡宏灵, 张凤鸣, 吴小山
2019, 68 (21): 210502. doi: 10.7498/aps.68.20190942
摘要 +
铁电材料由铁电相转化为顺电相的临界温度被称为居里温度, 是铁电材料的一个关键指标. 本文使用固溶体组成元素的基本物理性质等特征对不同组分和配比的铅基钙钛矿铁电固溶体进行了统一的描述, 采用岭回归、支持向量回归、极端随机森林回归等机器学习方法对铅基钙钛矿铁电固溶体的居里温度进行了学习. 使用交叉验证的方法对学习效果进行验证, 得到上述机器学习方法对材料居里温度的预测值与实验值之间的平均误差分别为14.4, 14.7, 16.1 K, 集成三种回归方法优化的模型在交叉验证中测得的平均误差为13.9 K. 在此基础上对超过20万种铅基钙钛矿的居里温度进行了预测, 给出了两种可能具有高居里温度的铁电材料.
原子和分子物理学

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试验优化设计Er3+/Yb3+共掺Ba5Gd8Zn4O21荧光粉及红光上转换发光性质研究
赵越, 杨帆, 孙佳石, 李香萍, 张金苏, 张希珍, 徐赛, 程丽红, 陈宝玖
2019, 68 (21): 213301. doi: 10.7498/aps.68.20191192
摘要 +
为得到最大发光强度的红光上转换Er3+/Yb3+共掺Ba5Gd8Zn4O21荧光粉, 采用均匀设计初步寻找Er3+/Yb3+共掺杂的浓度范围, 再通过二次通用旋转组合设计, 建立了Er3+/Yb3+掺杂浓度与荧光粉在980 nm与1550 nm激光激发下红色上转换发光强度的回归方程, 最后利用遗传算法解得回归方程的最优解, 即在980 nm与1550 nm激光激发下红光上转换最大发光强度对应的Er3+/Yb3+掺杂浓度, 用高温固相法分别制备出两种激发下的最优解荧光粉样品. 经X射线衍射仪分析, 证明所制备样品均为纯相Ba5Gd8Zn4O21. 在980 nm激光激发下, 最优样品的红光为双光子过程; 在1550 nm激光激发下, 最优样品的红光为三光子过程. 测量了最优样品关于温度的上转换发射光谱, 发现样品的红光上转换发光强度随着温度的升高而减弱. 所得最优样品与NaYF4∶Er3+/Yb3+红光商品粉进行比较, 在980 nm和1550 nm激光激发下, 最优样品红光上转换发光强度远强于NaYF4红光商品粉发光强度. 在相同功率密度激发下, 980 nm激光激发下的最优样品比1550 nm激光激发下的最优样品红光上转换发光强度更强.
Li离子电池负极材料石墨炔在B, N掺杂调控下的储Li性能优化
蔡梦圆, 唐春梅, 张秋月
2019, 68 (21): 213601. doi: 10.7498/aps.68.20191161
摘要 +
一种理想的Li离子电池负极材料需要具有较高的储Li容量和较低的体积膨胀比. 本文应用密度泛函理论研究了二维多孔石墨炔在B, N原子掺杂调控后作为Li离子电池负极材料时的储Li性能. 计算结果表明, B在石墨炔结构中的掺杂可以增强Li与石墨炔之间的吸附作用, 储Li容量可以增加到2061.62 mAh/g, 与未掺杂单层石墨炔相比增加了2.77倍. 同时, B掺杂降低了Li在垂直于石墨炔平面方向上的扩散能垒, 而面内扩散能垒提高了0.1 eV. N掺杂降低了Li与石墨炔之间的相互作用, 但增加了Li的稳定位点, 储Li容量增加到了1652.12 mAh/g, 同时, Li在石墨炔上的扩散性能大大提高, 在平面内扩散能垒降至0.37 eV, 因此N掺杂石墨炔的充放电性能得到较好提升. 因此, B, N掺杂可从不同方面提升石墨炔作为Li电池负极材料时的储Li性能. 该研究可以为开发良好的储Li负极材料提供一个良好的研究思路, 为实验工作者提供理论依据.
气体、等离子体和放电物理
氩气空心阴极放电复杂动力学过程的模拟研究
何寿杰, 周佳, 渠宇霄, 张宝铭, 张雅, 李庆
2019, 68 (21): 215101. doi: 10.7498/aps.68.20190734
摘要 +
利用流体模型模拟研究了氩气空心阴极放电的动力学过程. 数值模型考虑了直接基态电离、基态激发、分步电离、潘宁电离、解激发、两体碰撞、三体碰撞、辐射跃迁、弹性碰撞和复合反应等31个反应过程. 计算得到了电子密度, Ar+密度, 激发态氩原子Ar4s、Ar4p、Ar3d能级的密度, 电势和电场强度等的分布特性. 同时模拟得到了不同反应机制对电子、激发态氩原子Ar4s、Ar4p的产生和消耗机理的影响. 结果表明, 在本模拟条件下存在明显的空心阴极效应, 激发态氩原子Ar4s的密度大大高于电子密度. 激发态氩原子Ar4s参与的潘宁电离2Ar4s → Ar+ + Ar + e和分步电离对新电子的产生和电子能量的平衡具有重要贡献, 特别是以往模拟中通常被忽略的产生Ar2+的潘宁电离反应2Ar4s → Ar2+ + e同样对电子的产生具有重要影响. 激发态氩原子密度的空间分布是放电过程中各种粒子生成和消耗相互平衡的结果. 本模型所包含的反应中, 激发态氩原子Ar4p退激发到Ar4s能级的辐射反应Ar4p → Ar4s + hν是Ar4s能级产生的主要来源, 同时也是激发态氩原子Ar4p消耗的主要途径. 电子碰撞Ar4s激发到Ar4p能级的反应 Ar4s + e → Ar4p + e是激发态氩原子Ar4s消耗的主要途径, 也是产生激发态氩原子Ar4p的主要途径. 模拟结果同时表明, 利用激发态氩原子Ar4p能级的分布特性能够更好地反映空心阴极放电中的光学特性.
基于蒙特卡罗-离散纵标方法的氘氚激光等离子体聚变反应率数值模拟
陈忠, 赵子甲, 吕中良, 李俊汉, 潘冬梅
2019, 68 (21): 215201. doi: 10.7498/aps.68.20190440
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惯性约束聚变(ICF)是实现受控热核聚变可能途径之一. 聚变中子源项是氘氚激光等离子体物理设计与分析的重要参数之一, 其准确性直接影响分析结果的可靠性. 目前国内外对于ICF氘氚聚变反应产生的中子源项研究主要基于解析公式法, 在温度和反应类型等方面适用范围有限. 本文采用粒子云概念对氘、氚粒子云团开展了随机抽样与时空网格划分, 然后基于麦克斯韦速率分布律对氘氚聚变反应开展了多普勒能量展宽效应分析与微分截面温度修正工作, 耦合蒙特卡罗方法和离散纵标方法, 开展了激光等离子体中D-T粒子云团聚变反应率的数值模拟工作. 研究结果显示, 与原核数据库截面相比, D-T, D-D, T-D截面经修正后多普勒温度效应显著. 在20—100 keV的等离子体温度范围内, 相较传统的解析公式法, 本文模拟结果更符合最新的ENDF核数据库的氘氚反应截面数据, 且与解析公式法结果在低能区存在较大误差, 可能是计算方法不同与低温截面差异过大原因导致.
阳极磁屏蔽对阳极层霍尔推力器内磁极刻蚀的影响
赵杰, 唐德礼, 许丽, 李平川, 张帆, 李建, 桂兵仪
2019, 68 (21): 215202. doi: 10.7498/aps.68.20190654
摘要 +
利用PIC与溅射模拟相结合的方法, 研究阳极层霍尔推力器的阳极磁屏蔽对内磁极刻蚀速率的影响. 通过磁屏蔽技术, 改变了阳极表面的磁场位形分布, 提高了推力器磁镜场的磁镜比和中轴线上的正梯度的磁场宽度. 磁镜比是原来的1.4倍, 且增加了两个鞍形磁场区域. 在放电电压900 V, 工作气压2 × 10–2 Pa时, 仿真结果表明: 在阳极磁屏蔽的情况下, 大部分轰击内磁极的离子能量概率分布范围在40—260 eV之间, 比无屏蔽下的40—360 eV下降了将近100 eV; 入射角余弦值的最大概率分布从0.1附近的小范围(入射角84°)扩展到0.1—0.45 (入射角84°—63°)的大范围; 阳极屏蔽后的内磁极最大刻蚀速率是6.1 × 10–10 m/s, 比无磁屏蔽时的16 × 10–10 m/s降低了38.2%. 无磁屏蔽下的仿真结果和实验结果具有很好的一致性.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
V-4Cr-4Ti/Ti复合材料界面的辐照损伤特性研究
李然然, 张一帆, 耿殿程, 张高伟, 渡边英雄, 韩文妥, 万发荣
2019, 68 (21): 216101. doi: 10.7498/aps.68.20191204
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采用透射电子显微镜和纳米压痕技术研究了高能Fe10+离子注入后V-4Cr-4Ti/Ti复合材料界面辐照硬化、辐照缺陷以及微观结构的变化. 根据样品成分和微观结构的特征, 将该复合材料分成V-4Cr-4Ti基体、界面I、界面II和Ti基体四个区域. 纳米压痕结果表明, 辐照后样品均发生了辐照硬化, 但界面处的辐照硬化远低于两基体, 说明异质材料界面表现出了良好的抗辐照硬化能力. 透射电子显微镜结果表明, 辐照后界面处的辐照缺陷密度较小、尺寸较大、分布较均匀; 而在两基体中辐照缺陷密度大、尺寸小且大量缠结. 辐照后V-4Cr-4Ti基体、界面I区和界面II区均有一些富Ti析出物, 但界面I的析出物数量和尺寸均高于界面II和V-4Cr-4Ti基体. 由于Ti的析出改变了样品中局部的V/Ti比, 导致界面I部分区域由β-Ti转变为α-Ti, 形成α + β Ti共存区.
分子动力学模拟研究孪晶界对单层二硫化钼拉伸行为的影响
邵宇飞, 孟凡顺, 李久会, 赵星
2019, 68 (21): 216201. doi: 10.7498/aps.68.20182125
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孪晶界是单层过渡金属二硫族化物材料中的一种重要结构缺陷. 本文通过分子动力学模拟结合Stillinger-Weber势函数研究单轴拉伸过程中孪晶界对单层MoS2力学行为的影响. 结果表明: 1)孪晶界能够诱发裂纹在孪晶界附近形核, 并促使裂纹沿界面扩展, 从而降低晶体的断裂应变; 2)温度的升高能够加剧孪晶界附近的裂纹形核过程, 从而进一步减弱单层MoS2的断裂强度和断裂应变; 3)孔洞能够造成应力集中, 从而进一步触发断裂过程, 但孪晶界能够阻碍孔洞应力场的扩散, 从而延缓单层MoS2材料的断裂过程; 4)孪晶片层间距对单层MoS2断裂应变具有重要影响, 特别是对于含孔洞的单层MoS2材料, 材料断裂应变能够随着片层间距的减小而显著提高.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
一氧化碳纳米管束低压相的第一性原理研究
周红才, 黄树来, 李桂霞, 于桂凤, 王娟, 步红霞
2019, 68 (21): 217101. doi: 10.7498/aps.68.20190539
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对低压下一氧化碳(CO)晶体结构的研究已有半个多世纪, 研究其晶体内部结构的方法有很多, 实验人员通过红外设备进行红外分析, 或者通过更先进的激光设备进行拉曼分析, 以求得到精准的CO晶体的内部结构. 通过基于不同原理的计算分析手段, 科学家可以预言或者验证碳原子和氧原子如何排序来形成CO固体结构. 基于密度泛函理论, 本文设计了一种类似于碳纳米管束状结构的CO晶体结构. 通过分析计算, 该CO纳米管束状晶体是宽带隙半导体, 与目前已经研究报道的最稳定的CO分子晶体和链状晶体相比, 具有能量的更稳定性. 截然不同的电子结构性质以及能量上的高度稳定性, 使得该结构不仅丰富了低压下CO晶体结构的多样性, 还为探究低压下CO晶体的内部结构提供了新的思路与方向.
铟掺杂钨位增强钨酸铋氧空位光催化效率
王泽普, 付念, 于涵, 徐晶威, 何祺, 郑树凯, 丁帮福, 闫小兵
2019, 68 (21): 217102. doi: 10.7498/aps.68.20191010
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以硝酸铋、硝酸铟、钨酸铵、柠檬酸、聚乙二醇为原料和表面活性剂, 通过溶胶-凝胶法合成纯的和铟掺杂正交晶系钨酸铋. X射线衍射表征得到所有样品都是纯相且无杂质相. 光催化降解罗丹明B实验发现, 铟掺杂样品降解能力高于纯相, 其最佳掺杂含量为7%摩尔比. 扫描电子显微镜和X射线光电子能谱表征发现, 光催化性能提高主要是由于氧空位数目增多导致, 而形貌发生蓬松改变起到促进作用. 利用第一性原理计算, 单一氧空位模型形成能小于Bi1In + VO和Bi2In + VO共掺杂模型形成能, 而大于WIn + VO形成能. 这个结果表示铟替代钨位促进氧空位产生. 电子结构计算发现, 氧空位在带隙和导带底附近引入新的局域态, 促进光吸收而增强光催化性能. 本文通过理论模拟和实验表征钨酸铋氧空位光催化性能调控归因于铟进入钨位而非铋位.
CO与H2在应变Fe(110)表面的竞争吸附
李守英, 赵卫民, 乔建华, 王勇
2019, 68 (21): 217103. doi: 10.7498/aps.68.20190660
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为研究CO降低临氢管线钢的氢脆机制, 采用基于自旋极化密度泛函理论的第一性原理方法, 研究H2和CO在Fe(110)表面吸附过程中的势能变化以及不同应变时的吸附. 研究发现Fe(110)表面对CO的吸引力大于H2, 且预先吸附的CO能阻碍H2的解离, 减弱H与Fe之间的作用力. 态密度分析结果表明CO中的C原子与Fe原子有多个共轭峰, 有强烈的共轭杂化作用. 不同应变Fe(110)表面的吸附结果表明CO在Fe(110)表面的吸附能比H2更负, CO与表面的结合强度更大, CO优先吸附. 结合热力学定量计算分析CO分压对氢覆盖度影响, 结果表明随着CO的分压升高, 氢覆盖度降低. 表面拉应变越大, 需要的CO分压越高. 拉应变使得H2, CO吸附能差减小, CO阻碍氢吸附的能力降低是拉应变表面需要更高CO分压的原因.
缺陷离子调控对BiFeO3-BaTiO3基钙钛矿材料的铁电光伏特性影响
朱立峰, 潘文远, 谢燕, 张波萍, 尹阳, 赵高磊
2019, 68 (21): 217701. doi: 10.7498/aps.68.20190996
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BiFeO3-BaTiO3铁电材料具有优异的压电和铁电性能, 近年来受到广泛的关注. 该材料既保持了BiFeO3体系高的自发极化强度 Ps的优点, 也克服了BiFeO3体系难以合成纯钙钛矿相等缺点, 被认为是非 常有前景的铁电、压电以及光伏材料. 本文采取传统固相法制备了Bi(Fe0.96Mg0.02–xTi0.02+x)O3-0.3BaTiO3铁电陶瓷, 并揭示了Mg2+/Ti4+比例的变化对该陶瓷样品的铁电和压电以及光电性能的影响. 由于Ti4+取代Mg2+产生电子, 导致陶瓷样品的导电性能增加, 压电和铁电性能出现恶化, 其压电系数d33x = 0的 195 pC/N 下降至x = 0.02时的27 pC/N. 与之相反的是, Ti4+取代Mg2+扩宽了陶瓷样品的光吸收范围, 使陶瓷样品的禁带宽度由x = 0的1.954 eV下降至x = 0.02时的1.800 eV. 由于偶极子翻转构建的内偏电场和禁带宽度的降低等方面的相互作用, 陶瓷样品的光电流密度Jx = 0时的3.71 nA/cm2增加至x = 0.02时的32.45 nA/cm2.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
双层石墨烯层间限域CO氧化反应的密度泛函研究
崔树稳, 李璐, 魏连甲, 钱萍
2019, 68 (21): 218101. doi: 10.7498/aps.68.20190447
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利用密度泛函理论, 研究了双层石墨烯层间一氧化碳(CO)与氧(O)的氧化反应, 获得了双层石墨烯层间距与反应能垒的定量关系. 计算结果表明反应初态、过渡态、末态体系总能以及反应能垒对层间距离变化敏感: 随着层间距的逐渐缩小, 反应能垒逐渐增加. 因此, 改变双层石墨烯层间间距可以实现反应能垒的原子级调控. 通过差分电荷密度分析体系的电子结构, 发现当双层石墨烯层间距较小时, 过渡态O—C=O中碳原子与石墨烯上下层中的碳原子之间有明显的电荷堆积, 出现sp轨道杂化, 导致二者相互作用增强, 在z轴方向受到束缚力, 难以与吸附在石墨烯表面的氧原子形成较弱的O—C键, 阻碍了过渡态O—C=O的形成. 通过调控双层石墨烯间距, 可以降低一氧化碳氧化反应能垒. 该研究可为石墨烯的应用以及新型碳基插层复合材料的制备提供一定的理论支撑.
集成化导光板下表面微棱镜二维分布公式探究
张旭琳, 杨伟, 罗统政, 黄燕燕, 雷蕾, 李贵君, 徐平
2019, 68 (21): 218501. doi: 10.7498/aps.68.20190854
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集成化导光板下表面微结构分布设计是提高背光模组亮度均匀性的关键因素之一. 本文提出了小尺寸集成化导光板下表面微棱镜二维分布公式, 给出了微棱镜二维分布公式系数与导光板结构参数之间的关系表达式. 将上述公式组直接应用于不同结构参数的小尺寸集成化导光板下表面微棱镜二维分布设计, 无需借助设计人员的经验, 可直接获得亮度均匀性较高时的集成化导光板下表面微棱镜二维分布, 出射光亮度均匀性平均值可达84.94%. 仿真结果表明, 本文提出的微棱镜二维分布公式及系数关系表达式具有重要应用价值, 极大地节省了集成化背光模组的设计优化时间, 对于导光板表面微结构分布设计具有重要的参考价值.
结构光照明技术在二维激光诱导荧光成像去杂散光中的应用
闫博, 陈力, 陈爽, 李猛, 殷一民, 周江宁
2019, 68 (21): 218701. doi: 10.7498/aps.68.20190977
摘要 +
背景杂散光信号的干扰制约了激光片光成像技术的发展, 本文将结构光照明技术应用到激光片光成像测量中来消除杂散光的干扰. 介绍了基于结构光照明技术的工作原理和实验测量系统, 基于Matlab软件理论分析了相位移动结构光照明技术具有完全消除杂散光的作用, 并针对稳定罗丹明B溶液进行了二维激光诱导荧光成像实验, 进一步验证了相位移动结构光照明技术具有消除杂散光影响、提高二维成像精确度的作用. 最后利用基于锁相放大原理的结构光照明技术实现了非稳态扩散罗丹明B溶液的二维荧光瞬态成像实验, 并分析了罗丹明B溶液扩散的相关规律.
地球物理学、天文学和天体物理学
电离层回波谱展宽机理分析及频谱锐化方法
罗欢, 肖卉
2019, 68 (21): 219401. doi: 10.7498/aps.68.20190887
摘要 +
高频天波探测设备在执行早期预警和海态遥感等任务时必须依靠电离层作为传播媒质, 而电离层具有时变、不稳定的特性, 会改变经过它传播的高频电磁波的特征, 导致回波频谱展宽, 严重影响了对目标的探测和海态参数的反演. 从色散效应、相位污染和多模传播等方面详细分析了回波谱展宽的原因和机理, 利用多层准抛物线电离层模型讨论了避免多模传播的选频措施. 针对在实际中较难解决的相位污染问题, 提出了一种不用估计回波瞬时频率的污染校正方法. 该方法利用了信号子空间与信号导频矢量张成空间的一致性原理, 能够较准确地估计出相位污染项, 实测数据处理表明新方法能够使展宽的回波谱得到有效锐化.
大质量转动沃尔夫-拉叶星的形成及内部核合成研究
彭卫国, 宋汉峰, 詹琼, 吴兴华, 景江红
2019, 68 (21): 219701. doi: 10.7498/aps.68.20191040
摘要 +
沃尔夫-拉叶(Wolf-Rayet stars, WR)星是一类非常特殊的恒星, 具有强烈的星风损失, 造成氢包层丢失, 仅具有裸露的氦核. WR 星被认为是Ib/Ic型超新星的前身星, 研究WR 星的形成及内部核合成具有重要意义. 根据转动恒星的角动量转移和元素扩散方程, 研究了影响WR星结构与演化的各种物理因素. 如恒星质量、初始转速、轨道周期、金属丰度等. 大质量、初始转速快和金属丰度高的单星模型, 星风物质损失率大, 易于形成WR星. 金属丰度低的恒星由于星风弱, 不容易丢失氢包层, 不容易形成WR星. 然而, 快速转动使低金属丰度恒星产生化学成分均匀的演化, 极大地增加了对流核的质量, 相应减小了氢包层厚度, 也可以产生WR星. 双星系统中发生洛希瓣物质交换, 将主星大量的氢包层物质转移到次星上, 也可使低金属丰度恒星产生WR星. 另外, 洛希瓣物质交换, 减少了氢包层的厚度以及对流核的温度和核反应速率, 主星表面的 4He, 12C, 19F, 22Ne, 23Na, 25Mg等元素的质量丰度高于相同初始条件的单星模型, 而1H, 14N, 16O, 20Ne 和26Al等元素的质量丰度却低于单星模型. 总之, 大质量星、初始转速快、金属丰度高、短轨道周期双星系统是形成WR星的有利条件.